Equilibrio de Fases, Mezclas Líquidas y Determinación de Nitrógeno por el Método Kjeldahl

Equilibrio de Fases y Propiedades de las Mezclas Líquidas

Cuando la velocidad de evaporación iguala a la velocidad de condensación, se consigue llegar al equilibrio dinámico: H₂O(g) ⇌ H₂O(l).

Cuando la presión del vapor iguala a la presión del exterior, se podrán formar burbujas de vapor en el interior del líquido; es decir, se ha llegado al punto de ebullición.

• P(vapor) = P(exterior) → Punto de ebullición
• Sustancias volátiles: Presentan una P(vapor) alta a temperatura ambiente (T ambiente).
• Sustancias no volátiles: Presentan una P(vapor) baja a temperatura ambiente (T ambiente).

Azeótropos

Un azeótropo es una mezcla de líquidos que, a una composición determinada, se comporta como si fuese un líquido puro.

• Azeótropo de mínimo (Azeótropo positivo): Ocurre si el azeótropo es más volátil que cualquiera de los dos componentes de la mezcla.
• Azeótropo de máximo (Azeótropo negativo): Ocurre si se comporta como un líquido puro que es menos volátil que cualquiera de los dos componentes de la mezcla.

Ley de Raoult

La presión de vapor parcial de cada componente de una mezcla ideal de líquidos es igual a la presión de vapor del componente puro multiplicado por su fracción molar en la mezcla.

p_A = x_A · p°_A

• p_A: Presión parcial del componente A.
• x_A: Fracción molar del componente A.
• p°_A: Presión de vapor del componente A puro.

Cálculo de la Temperatura de Ebullición

Determina la temperatura de ebullición de una mezcla líquida al 50% en peso de benceno.

Los datos de la tabla suelen estar en fracción molar, no en peso. Para ser más exactos, debemos convertir el 50% en peso a fracción molar. Para ello, suponemos 100 g de mezcla y conocemos las masas molares:

• 50 g de benceno (M = 78 g/mol)
• 50 g de tolueno (M = 92 g/mol)

Cálculo de moles:

• Benceno: 50 / 78 ≈ 0,641 mol
• Tolueno: 50 / 92 ≈ 0,543 mol

Fracción molar del benceno (x_B): x_B = 0,641 / (0,641 + 0,543) = 0,54

Buscamos x ≈ 0,54 en la tabla e interpolamos entre:

• x = 0,58 → T = 90 ºC
• x = 0,41 → T = 95 ºC

Resultado aproximado: T ≈ 91–92 ºC

Procesos Químicos: Digestión, Destilación y Titulación

1. Digestión

Conversión de aminoácido a amonio. Se recogen los gases con el aparato Scrubber K-415, Buchi.

(CHNO) + H₂SO₄ → CO₂ + SO₂ + H₂O + NH₄⁺

2. Destilación

Conversión de amonio a amoniaco. Se añade H₂O_d para que la reacción no sea tan violenta. El líquido refrigerante es enfriado en el aparato recirculating chiller F-308.

Durante el proceso de destilación, los iones amonio (NH₄⁺) se convierten en amoniaco (NH₃) mediante la adición de un álcali (NaOH). El amoniaco (NH₃) es arrastrado al vaso receptor por medio de una corriente de vapor de agua. El vaso receptor para el destilado se llena con H₃BO₃ (ácido bórico) para capturar el gas amoniaco disuelto.

• H₂SO₄ + 2NaOH → 2Na⁺ + SO₄^2- + 2H₂O
• NH₄⁺ + OH^- ⇌ NH₃ + H₂O

3. Titulación

Reacción de amoniaco + ácido bórico para volver a formar amonio.

B(OH)₃ + NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + B(OH)₄^-

Fórmulas de cálculo:

• (N · (V_g - V_b))_H2SO4 = ((m · valencia) / Mm)_N
• m_N = ((N · (V_g - V_b))_H2SO4 · (Mm)_N) / valencia_N